[发明专利]含有气体导流板的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有气体导流板的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一个能将化学能直接转换成电能的发电装置。燃料电池尤其是质子交换膜燃料电池除了在发电时无污染，噪音低外，还具有无腐蚀，启动快，制备容易，维修简单，功率密度大，发电效率高，使用寿命长等许多优点，因此在交通工具，发电设备，军事，潜艇，航天和航空等各个领域中均有着广阔的应用前景。

气体导流板是燃料电池的一个重要组成部分，它在燃料电池中的作用主要有以下三个方面：

1)导流氢气、氧气和空气使之与电极中的催化剂反应并将反应后生成的水导流出燃料电池；

2)作为刚性支撑体，支撑着电极以便气-固电化学反应的顺利进行；

3)作为采取电流的电极板。

以美国GE公司为受让人的美国专利第3,134,697号公开了一种质子交换膜燃料电池，其采用凹型槽气体导流板(以下简称GE板，参见图1)。该气体导流板是在整块的耐腐蚀金属板上刻出一个凹型槽而形成的。质子交换膜燃料电池的膜电极集合体被夹在两块带有凹型槽的气体导流板之间(一块是阴极板，另一块是阳极板)，而带有一定压力的氢气和氧气或空气则分别被填充在凹型槽内。此设计的优点是加工工艺简单，在膜电极集合体的表面能保持有一定的气体压力。但是，此设计的缺点是气体不能在导流板上快速地流动，反应后生成的水不能及时地排除，从而使膜电极遭到水淹。因此，燃料电池的发电性能随着反应时间的推移而迅速地下降。此外，当利用空气作为氧化气体来发电时，凹型槽内空气中氧气的含量很快地降低(在反应刚开始时，氧气的含量在21％左右，随着反应时间的增加，由于不参与反应的氮气不能及时地排出，从而造成氮气含量上升，氧气含量下降)也是致使电池发电性能迅速下降的主要因素之一。

以美国Allis-Chalmers公司为受让人的美国专利第3,575,719号公开了一种燃料电池的气体导流板(以下简称AC板，参见图2)。AC板是在耐腐蚀的金属板上或在高密度、不透气的石墨板上刻有多条平行的气体导流槽而制成的。此板的特点是气体可以在气体导流槽里快速地流动且阻力小，反应后生成的水或不参与反应的氮气能很快地被排出。但是，当把AC板用于大功率的质子交换膜燃料电池并用空气发电时，燃料电池发电不稳定，电压的波动很大。

以巴拉德公司为受让人的美国专利第5,108,849号公开了一种用于燃料电池的气体导流板(以下简称BD板，参见图3)。此BD板的设计是将一条或多条气体导流槽从气体的入口连续地刻到气体的出口处，使得气体导流槽在整个板面上呈盘蛇状。实验证明，采用BD板作为气体导流板的质子交换膜燃料电池用空气作为氧化气体时，其发电性能确实稳定。然而，由于使用BD板大大增加了空气和作为副产物的生成水在气体导流板上流动的距离和阻力，这不仅增加了膜电极集合体受损、受淹的可能性而且使得气体导流槽中流动的空气中氧气的含量有一个很大的梯度(即在空气入口处，氧气的含量占21％左右，而在空气出口处，氧气的含量要远低于20％)。因而损失了一些发电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有气体导流板的燃料电池，能降低其气体导流板上的气体导流槽中氧气含量的梯度，使发电性能稳定、膜电极集合体受损和受淹的可能性减小，从而提高其发电性能。

为此，本发明提供一种含有气体导流板的燃料电池，包括：

至少两个基本平行的气体导流板，在两个相邻的气体导流板上以相对方式开有气体导流槽，其中分别充有氧气/空气和氢气，在该气体导流板之间依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸，其它各相邻导流板也按类似结构布置，其间也依次设置碳纸、催化剂、电解质、催化剂和碳纸。

其中，气体导流板上的气体导流槽由一段或多段组成，气体导流槽的总横截面积沿从气体入口向气体出口的方向逐渐减小。

根据本发明的进一步的特征，本发明燃料电池的气体导流板的每一段气体导流槽可由一根或多根导流槽单元组成。

由于本发明的燃料电池采用了上述气体导流板，使气体导流槽中的空气的流速沿从气体入口向气体出口的方向逐渐提高，从而使气体导流槽中流动的空气中的氧气向催化剂和电解质界面上的扩散得以加强。因此，根据本发明，缩短了空气和作为副产物的生成水在气体导流槽中的流程，减少了空气和生成水流动的阻力，减少了膜电极集合体受损和受淹的可能性，降低了气体导流槽中氧气含量的梯度，从而保证了燃料电池高效、稳定地发电。

附图说明

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。